数字功放实验报告

1、前言：数字功放简介数字功放 ” 的基本电路是早已存在的类放大器（国内称丁类放大器 ） 。以前，由于价格和技术上的原因，这种放大电路只是在实验室或高价位的测试仪器中应用。这几年的技术发展使数字功放的元件集成到一两块芯片中，价格也在不断下降。理论证明，类放大器的效率可达到。然而，迄今还没有找到理想的开关元件，难免会产生一部分功率损耗，如果使用的器件不良，损耗就会更大些。但是不管怎样，它的放大效率还是达到以上。此外，数字功放具有失真小、噪音低、动态范围大等特点，在音质的透明度、解析力，背景的宁静、低频的震撼力度方面是传统功放不可比拟的。为了重现放大的音频信号，输出波形必须恢复到原来的正弦波。大都采用

2、低通滤波器来解决。由于音频的频带范围为，而载波频率通常是它的倍以上，因此，滤除载波频率的过程相当简单，就是在扬声器前面接一个截止频率约为左右的低通滤波器。而在运用到重低音功放时，由于处理的是低频，低通的截止频率可以降低到左右。滤波器可根据性能要求采用、或等电路。滤波器的设计要求较高，弄得不好会引起射频干扰。为降低功耗，一般采用被动元件。由于功耗和体积的优势，数字功放首先在能源有限的汽车音响和要求较高的重低音有源音箱中得到应用。当今的电子设备开始趋向于便携化，而这种便携特性需要小的体积以及高效率才能够维持足够的电池使用时间。这种趋势开始影响到音频放大器的设计，但是， ab类音频放大器的效率通常都

3、小于20，这就减少的系统的电池寿命，并且增加了热耗散 d类放大器是一种输出开关状态信号的放大器。当输出功率开关管关闭， 流过放大器的电流为零。 当输出功率开关管导通， 开关管所承载的压降很小，在理想的状况下， 这个值应是零。 所以无论在开关导通或是关闭，消耗在放大器内部的功率都很小。这就提高了效率， 进而，它只需要更少的电能消耗和更小的散热器。对于电池供电的便携器件而言，这是一个十分重要的优势。实现d类音频放大器的两大类技术：就技术领域来而言， d类音频放大器可以依照输入信号的类型分为两大类：模拟d类音频放大器与数字 d类音频放大器。模拟d类音频放大器到目前为止一直是d类音频实现技术的主流。模

4、拟d类音频放大器接收模拟音频输入信号，通过信号调制结构将模拟音频信号置于高频载波之上，并传送至功率输出级。模拟d类音频放大器的信号调制机构由于可以采用自然采样模式，不会产生固有谐波分量，因而可以实现比较高的线性度研。并且，模拟 d类音频放大器可以相对容易地实现负反馈控制，通过反馈机制，进一步有效地提高包括线性度， 电源噪声免疫性在内的各项音频性能特征。基于上述特点，模拟 d类音频有更为简单的可实现性并且不需要特殊设计的精确电源，在应用端可以简化外围电路的使用，因而目前依然是 d类音频产品所使用的主流技术。本文所介绍的 d类音频放大器也属于模拟d类音频高效率、低失真 d类音频功率放大器放大器的范

5、畴。数字d类放大器接收数字音频输入信号。同样要通过信号调制结构将数字信号置于高频载波之上，并传送至功率输出级。数字d类音频目前在诸多技术环节仍存在困难。由于数字 d类放大器采用线性插值法采样，在采样方式上存在固有的误差，因而在线性度上不及模拟d类音频，更重要的是，数字实现方式难以实现反馈控制，使得数字d类音频更加依赖于良好的外围电路设置。但数字方式的好处同样显而易见， 全数字的实现方式可以省去面积可观的模拟电路模块； 全数字的音频信号通道对耦合噪声并不敏感；全数字的实现方式可以更加灵活地实现片上的音频信号处理，并可以省去系统的数模转换器。数字实现d类音频目前仍只有极少的市场应用，但如果上述的技

6、术困难可以得到解决，数字实现将会是一个很有竞争力的选择，成为未来d类音频技术的发展方向。原理: 本次电路仿真设计中， 由于很多芯片无法找到， 我们首先只是选择了一个很简单的电路示例一中具体如图一：如上图所示，该电路运用到的芯片为74ls04 ， 其中 u1f 构成密勒积分电路，u1c 构成线形反相放大电路， r2，r3，u1a 、u1b 构成触发电路， u1d 、u1e为缓冲电路，驱动扬声器需要上百毫安电流，用74ls04 三片做了驱动门，用来增大驱动电流。 最后的输出用全桥方式， 由于为单电源供电， 因此不用接隔直电容，跟具输出信号的高低电平，可以是l1 和 l2 相互导通而正常工作。密勒积

7、分电路：（如下图所示）密勒积分电路中，为了实现锯齿波发生电路，如在放大器a 的位置放上品体管，则可以制得固9u 的电路。将关闭的开关打开后，在放大晶体管tr 的集电极就可以得到锯齿波输出电压。与互相同的是fb。在这里， tr 是作为共射极放大器来使月的， 所以增益大，但不能说输入电阻大。 此时，时间常数为 c只re(只十 rz)，rt 随着 5 体管的替换或温度变化而变化。另外输出电电阻也很大。将锯齿波发生电路看做电源时，输出电阻不小与内部串联电阻大是相同的事情，所以在输出端接负载时， 如果负载电阻值变化， 则输出电压也大幅度地变化。在本电路中用非门来做放大器，代替了晶体管。调试过程：在这个电

8、路的调试过程中，在原来的电路中用到的不是74ls04 ，u1 为74hcu04 ，u2 为 74ac04 ，但是在连接好电路的仿真过程中出现无法仿真，经过一系列的调试发现， 不同种类的反相器组合， 有不同的结果， 有的甚至无法仿真，而最佳的组合是 74ls04 ，所以最后我们选择了全部用74ls04 。同时，在调试过程中发现， 原来的 12 个 74ls04 来做驱动门电路， 但是三个和十二个没区别， 故最终选择了用三个来实现。输入输出波形如下所示：在调试完成之后做出了简单的pcb，如下图所示：第二个电路我们再一次偶然的添加库中发现好多库没有添加，再添加上之后，在搜索元器件的过程中我们发现了h

9、ip4080 ，所以我们找到了一个相对复杂一点的一 hip4080 为主控芯片的功放电路图。hip4080 原是电动机控制用开发的集成电路，但也可以在音频功率放大器中利用其耐压与高速型， 其内部有比较器、 驱动器、死区控制器等电路， 若外接振荡器，输出元件，输出低通滤波器，就可简单构成d 类功率放大器。hip4080 芯片的引脚图如下：（ca5470 ）hip4080 的工作原理：片内比较器将外部振荡器产生的三角波或锯齿波与输入音频信号比较，形成pwm 信号。全桥驱动器是驱动外接功率mosfet 的电路，片内有 4 个驱动器，最大输出电流各自为2.5a，可以直接驱动 mosfet ，本电路的接

10、法为全桥方式，电路如下图所示：hip4080 是 a 通道（ aho，alo）和 b 通道（ bho，blo）互为反向动作，及 aho 导通时， blo 导通，alo 和 bho 截止，这样，以开关频率周而复始的动作，控制功率mosfet 通/断工作，功率 mosfet 管 vt1 和 vt2 导通时间互为独立，若同时导通就会有贯通电流发生，损坏元件，降低效率，为此，需要对导通 /截止定时控制电路，既死区控制电路。由hip4080 延迟功率mosfet 的导通时间，解决此问题。另外，接通外接电阻可以自由设定延时时间，这样对于应用有更高的通用性，对于采用 pwm 方式的功率电路， 减小功率损耗是

11、死区控制电路中非常重要的一部分。hip4080 的高端与低端驱动电路通过高耐压的电平移动电路连接起来，这样，单个驱动电路虽只有16v，但高端驱动电源端子的耐压高达95v，充电泵电路是供给上端驱动电源电流的电路。然而，电流供给能力只有30-50ua ，不能驱动 d 类功率放大器功率mosfet ，为此，充电泵电路是作为维持由自举方式得到的电源电压的辅助电源而工作的电路。hip4080 内部电路结构如下图所示：hip4080 个引脚功能：1、bhb ：b high-side bootstrap supply. external bootstrap diode and capacitor are r

12、equired. connect cathode of bootstrapdiode and positive side of bootstrap capacitor to this pin. internal charge pump supplies 30a out of this pin to maintain bootstrap supply. internal circuitry clamps the bootstrap supply to approximately 12.8v. 2、hen ：high-side enable input. logic level input tha

13、t when low overrides in+/in- (pins 6 and 7) to put aho and bho drivers (pins 11 and 20) in low output state. when hen is high aho and bho are controlled by in+/in- inputs. the pin can be driven by signal levels of 0v to 15v (no greater than vdd). an internal 100a pull-up to vdd will hold hen high, s

14、o no connection is required if high-side and low-side outputs are to be controlled by in+/ininputs. 3、dis ：disable input. logic level input that when taken high sets all four outputs low. dis high overrides all other inputs. when dis is taken low the outputs are controlled by the other inputs. the p

15、in can be driven by signal levels of 0v to 15v (no greater than vdd). an internal 100a pull-up to vdd will hold dis high if this pin is not driven. 4、vss ：chip negative supply, generally will be ground. 5、out：output of the input control comparator. this output can be used for feedback and hysteresis

16、 6、 in+： non-inverting input of control comparator. if in+ is greater than in- (pin 7) then alo and bho are low level outputs and blo and aho are high level outputs. if in+ is less than in- then alo and bho are high level outputs and blo and aho are low level outputs. dis (pin 3) high level will ove

17、rride in+/in- control for all outputs. hen (pin 2) low level will override in+/in- control of aho and bho. when switching in four quadrant mode, dead time in a half bridge leg is controlled by hdel and ldel (pins 8 and 9). 7、in-：inverting input of control comparator. see in+ (pin 6) description. 8、

18、hdel： high-side turn-on delay. connect resistor from this pin to vss to set timing current that defines the turn-on delay of both high-side drivers. the low-side drivers turn-off with no adjustable delay, so the hdel resistor guaranteesno shoot-through by delaying the turn-on of the high-side driver

19、s. hdel reference voltage is approximately 5.1v. 9、 ldel：low-side turn-on delay. connect resistor from this pin to vss to set timing current that defines the turn-on delay of both low-side drivers. the high-side drivers turn-off with no adjustable delay, so the ldel resistor guarantees no shoot-thro

20、ugh by delaying the turn-on of the low-side drivers. ldel reference voltage is approximately 5.1v. 10、 ahb： a high-side bootstrap supply. external bootstrap diode and capacitor are required. connect cathode of bootstrapdiode and positive side of bootstrap capacitor to this pin. internal charge pump

21、supplies 30a out of this pin to maintain bootstrap supply. internal circuitry clamps the bootstrap supply to approximately 12.8v. 11、 aho ： a high-side output. connect to gate of a high-side power mosfet 12、ahs ：a high-side source connection. connect to source of a high-side power mosfet. connect ne

22、gative side of bootstrap capacitor to this pin. 13、alo：a low-side output. connect to gate of a low-side power mosfet. 14、als ：a low-side source connection. connect to source of a low-side power mosfet 15、vcc：positive supply to gate drivers. must be same potential as vdd (pin 16). connect to anodes o

23、f two bootstrapdiodes. 16、 vdd ： positive supply to lower gate drivers. must be same potential as vcc (pin 15). de-couple this pin to vss (pin 4). 17、bls ：b low-side source connection. connect to source of b low-side power mosfet 18、blo：b low-side output. connect to gate of b low-side power mosfet.

24、19、bhs ：b high-side source connection. connect to source of b high-side power mosfet. connect negative side of bootstrap capacitor to this pin. 20、 bho： b high-side output. connect to gate of b high-side power mosfet. ca5470 ：采用bimos 工艺制成，内接 4个运算放大器，输入失调电流为05pa，输入偏置电流为 05pa，开环电压增益为 90db ，功率带宽为 436kh

25、z ，单电源电压范围为 316v 。可应用于高速采样保持电路、电压跟随器、峰值检测器、压控振荡器、传感放大器以及自动控制系统等领域。实验电路：原理：在本电路中，两个输入端 in+和in-分别输入信号和三角波，起比较器输出地调宽脉冲经控制逻辑， 接通延迟，电平以为及触发器后， 有两个驱动器从 xho和xlo端输出激励信号， 去驱动功率场效应管的栅极。 每个驱动器的输出电流高达2.5a，可驱动功率很大的场效应管。电路中，输入的音频信号经过u6c 缓冲，u6d 反相放大后，送入hip4080 的in-段， coms 反相器 cd4069 中产生出 240khz 的三角波，作为比较信号加至hip408

26、0 的in+端。hip4080 调制产生的调宽脉冲经延迟，激励后，驱动有四只mosfet 组成的桥式开关放大器，经放大的调整脉冲再有四阶巴特沃兹低通滤波器滤去高频成分，恢复出音频。 u3b 为负反馈电路，从巴特沃兹滤波器的前端取出脉冲信号，经u3b组成的 t型 低通滤波器后恢复出低频分量，再送至u3b的反相输入端，进行负反馈控制。调试过程：在本电路的仿真中出现的问题首先提示很多问题，如下所示：error - less than 2 connections at node n189742 error - less than 2 connections at node n189782 error

27、- less than 2 connections at node n189646 error - less than 2 connections at node n189714 error - less than 2 connections at node n189190 error - less than 2 connections at node n189898 error - less than 2 connections at node n189906 error - less than 2 connections at node n189050 error - node n1897

28、42 is floating error - node n190182 is floating error - node n189782 is floating error - node n190206 is floating error - node n190242 is floating error - node n189646 is floating error - node n190362 is floating error - node n189122 is floating error - node gnd_signal is floating error - node n1897

29、14 is floating error - node n190474 is floating error - node n189190 is floating error - node n189898 is floating error - node n189906 is floating 经过一系列的调整后，将错误一一排除，当我认为将要能够仿真并调试的时候又一次出现了问题，问题如下：no pspicetemplate for u2, ignoring；当时不知道是什么问题， 经过慢慢的看书并查资料发现，虽然找到了芯片，可是在，在 pspice 库中没有元件的模型，到底该怎么做，首先我想到的

30、是把芯片拆成各个部分， 把芯片用别的元件组装起来， 可是当我找到芯片的详细资料后我才发现， 这个办法是行不通的。 当我在迷茫的时候有王老师的指点，没有模板就自己建立，面对这个问题，我还是一头雾水，该怎么建立，从来没听说过，也不知道怎么建立，在做 pcb 是我通过 protel给我的思路我沿着这条主线，运用到orcad 中，把出现的问题一一解决， 做出了， 是不是再次可以尝试一下，我查阅了很多资料没有找到任何线索， 在偶然的查阅中，在网上找到了一些资料，我开始学着建立模板， 首先找到了的详细资料，根据资料上说的，我按资料整理了所需要的资料，资料如下：in- = 2.5v, other input

31、s = 0v ,outputs switching f = 500khz,in- = 2.5v, other inputs = 0v, ialo = iblo = 0,f = 500khz, no load,in- = 2.5v, other inputs = 0v, iaho =ibho = 0, vdd = vcc = vahb =vbhb = 10v,vahs = vbhs = vahb = vbhb = 95v,iahb = iahb = 0, no load,in+ in-, ioh = -300ma,in+ pcb 结构设计 -pcb 布局-布线 -布线优化和丝印 -网络和 drc 检查和结构检查 -制版。“ 工欲善其事，必先利其器” ，要做出一块好的板子，除了要设计好原理之外，还要画得好。在进行pcb设计之前，首先要准备好原理图的元件库和pcb的元件库。元件库可以用软件自带的库，但一般情况下很难找到合适的，最好是自己根据所选器件的标准尺寸资料自己做元件库。原则上先做pcb 的元件库，再做电路图的元件库。 pcb的元件库要求较高，它直接影响板子的安装；电路图的元件库要求相对比较松，只要注意定义好管脚属性和与pcb元件的对应关系就行。之后就是原理图的设计，做好后就准备开始做pcb设计了。第一：前期准备。这包括准备元件库和原理图。第二： pcb结构设计。这一步根据已经